Лазер
основное состояние атомы газа
дают свечение определённого цвета. Так, например, неон даёт красное
свечение, а аргон – зелёное.
Самопроизвольные (спонтанные) переходы атомов с более высокого
энергетического уровня на более низкий носят случайный характер.
Генерируемое при этом излучение не обладает свойствами лазерного излучения:
параллельностью световых пучков, когерентностью (согласованностью амплитуд
и фаз колебаний во времени и пространстве), монохромностью (строгой
одноцветностью). Однако, ещё в 1917 году Альберт Эйнштейн предсказал
существование наряду со спонтанными переходами на более низкий
энергетический уровень индуцированных переходов. В последствии эта
возможность была реализована в конструкции лазеров. Сущность этого явления
состоит в том, что фотон светового потока, встречая на своём пути
возбуждённый атом выбивает из него фотон с точно такими же
характеристиками. В результате число одинаковых фотонов удваивается. Вновь
образовавшийся фотон, в свою очередь, способен генерировать ещё один фотон,
выбивая его из другого возбуждённого атома. Таким образом, число одинаковых
фотонов лавинообразно нарастает. Генерируемое при этом излучение
характеризуется высокой степенью параллельности пучков светового потока,
когерентности и монохромности, так как в нём присутствуют только те фотоны,
которые обладают одинаковой энергией и направлением движения.
Очевидно, что индуцированное излучение может возникать только в тех
системах, где число возбуждённых атомов достаточно велико. На практике
число возбуждённых атомов должно превышать 50% от общего числа атомов в
системе. В равновесных системах достижение этого условия невозможно, так
как число переходов с ниже лежащего уровня на выше лежащий равно числу
обратных переходов. Для получения эффекта индуцированного излучения систему
необходимо перевести в неравновесное, а, следовательно, неустойчивое
состояние. Кроме того интенсивность внешнего светового потока,
предоставляющего исходные фотоны для начала процесса так же должна быть
достаточной. Рассмотрим каким образом реализуются эти требования на примере
конструкции лазера, построенного с использованием искусственно выращенного
кристалла рубина, называемого, обычно, рубиновым лазером.
Лазер состоит из трех основных частей: активного (рабочего) вещества,
резонансной системы, представляющей две параллельные пластины с нанесенными
на них отражающими покрытиями, и системы возбуждения (накачки), в качестве
которой обычно используется ксеноновая лампа-вспышка с источником питания
(рис. 1).
[pic]
Рис 1. Схема рубинового лазера.
Рубин представляет собой окись алюминия, в которой часть атомов алюминия
замещена атомами хрома (Al2O3*Cr2O3) Активным веществом служат ионы хрома
Cr3+. От содержания хрома в кристалле зависит его окраска. Обычно
используется бледно-розовый рубин, содержащий около 0,05% хрома. Рубиновый
кристалл выращивают в специальных печах, затем полученную заготовку
отжигают и обрабатывают, придавая ей форму стержня. Длина стержня
колеблется от 2 до 30 см, диаметр от 0,5 до 2 см. Плоские торцовые концы
делают строго параллельными, шлифуют и полируют с высокой точностью. Иногда
отражающие поверхности наносят не на отдельные отражающие пластины, а
непосредственно на торцы рубинового стержня. Поверхности торцов серебрят,
причем поверхность одного торца делают полностью отражающей, другого —
отражающей частично. Обычно коэффициент пропускания света второго торца
составляет около 10—25%, но может быть и другим.
Рубиновый стержень помещают в спиральную импульсную ксеноновую лампу,
витки которой охватывают его со всех сторон. Вспышка лампы длится
миллисекунды. За это время лампа потребляет энергию в несколько тысяч
джоулей, большая часть которой уходит на нагревание прибора. Другая,
меньшая часть, в виде голубого и зеленого излучения поглощается рубином.
Эта энергия и обеспечивает возбуждение ионов хрома.
На рис. 2 представлена энергетическая диаграмма, поясняющая принцип
работы рубинового лазера. Линии 1, 2, 3 соответствуют энергетическим
уровням ионов хрома.
[pic]
Рис 2. Схема энергетических уровней рубинового лазера.
В нормальном, невозбужденном состоянии ионы хрома находятся на нижнем
уровне 1. При облучении рубина светом ксеноновой лампы, содержащим зеленую
часть спектра, атомы хрома возбуждаются и переходят на верхний уровень 3,
соответствующий поглощению света длиной волны 5600 А. Ширина полосы
поглощения этого уровня составляет около 800 А.
С уровня 3 часть возбужденных атомов хрома снова возвращается на
основной уровень 1, а часть переходит на уровень 2. Это так называемый
безызлучательный переход, при котором ионы хрома отдают часть своей энергии
кристаллической решетке в виде тепла. Вероятность перехода с уровня 3 на
уровень 2 в 200 раз больше, а с уровня 2 на уровень 1 в 300 раз меньше, чем
с уровня 3 на уровень 1. Это приводит к тому, что уровень 2 оказывается
более заселенным, чем уровень 1. Иными словами, заселенность получается
инверсной и создаются необходимые условия для интенсивных индуцированных
переходов.
Такая система крайне неустойчива. Вероятность спонтанных переходов в
любой момент времени очень велика. Первый же фотон, появившийся при
спонтанном переходе, по закону индуцированного излучения выбьет из
соседнего атома второй фотон, переведя излучивший атом в основное
состояние. Далее эти два фотона выбьют еще два, после чего их будет четыре,
и т. д. Процесс нарастает практически мгновенно. Первая волна излучения,
дойдя до отражающей поверхности, повернет обратно и вызовет дальнейшее
увеличение числа индуцированных переходов и интенсивности излучения.
Отражение от отражающих поверхностей резонатора повторится многократно, и
если потери мощности при отражении, вызываемые несовершенством отражающих
покрытий, а также полупрозрачностью одного из торцов стержня, через который
уже в начале генерации будет вырываться поток излучения, не будут
превосходить той мощности, которую приобретает в результате начавшейся
генерации формирующийся в стержне лазера луч, то генерация будет нарастать,
а мощность увеличиваться до тех пор, пока большинство возбужденных частиц
активного вещества (ионов хрома) не отдадут свою энергию, приобретенную в
момент возбуждения. Через частично посеребренный торец стержня вырвется луч
очень высокой интенсивности. Направление луча будет строго параллельно оси
рубина .
Те фотоны, направление распространения которых в начале их возникновения
не совпало с осью стержня, уйдут через боковые стенки стержня, не вызвав
сколько-нибудь заметной генерации.
Именно многократное прохождение образованной световой волны между
торцовыми стенками резонатора без какого-либо существенного отклонения от
оси стержня обеспечивает лучу строгую направленность и огромную выходную
мощность.
глава 2.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ
Уникальные свойства лазерного луча, многообразие конструкций современных
лазеров и устройств на их основе обуславливают широкое применение лазерных
технологий в различных областях человеческой деятельности: промышленности,
науке, медицине и быту. Появление лазеров и внедрение их во многие отрасли
промышленности и науки произвело в этих отраслях в буквальном смысле
революцию. Благодаря этому стало возможным развитие новых более эффективных
технологий, повышение производительности труда, точности измерений и
качества обработки материалов. Рассмотрим здесь лишь наиболее важные
области применения лазерной техники.
2.1 Применение лазеров в промышленности
Сразу же после появления лазеров и начала исследования взаимодействия
лазерного луча с различными материалами стало ясно, что этот инструмент
может найти широкое применение в разнообразных промышленных технологических
процессах. Дело в том, что лазерный импульс несёт в себе огромный запас
энергии (рубиновый лазер при кратковременном импульсе может достичь
мощности в несколько миллиардов ватт. При попадании подобного луча на
поверхность материала он вызывает мгновенное разогревание этой поверхности
вплоть до испарения даже очень тугоплавкого материала. Это обстоятельство
используется при сверлении отверстий в твердых материалах, резке и сварке
металлов и пластмасс, заточке режущих инструментов, в том числе
изготовленных из сверхтвердых сплавов. Сверление отверстий в алмазных
фильерах при помощи традиционных способов занимает около двух часов. Этот
же процесс, осуществляемый при помощи лазерной установки, длится не более
0,1секунд. Для того чтобы прожечь стальную пластинку толщиной 1 мм лучом
лазера, достаточно импульса длительностью в одну тысячную секунды с
энергией 0,5 дж. В результате получается отверстие порядка 0,1—0,2 мм.
Лучом такой же мощности можно сварить два куска фольги толщиной 0,05мм или
две тонкие проволочки.
Чтобы прожечь стальную пластинку толщиной до 5 мм, нужен импульс с
энергией от 20 до 100 дж. В этом случае луч лазера необходимо сфокусировать
в одну точку, для чего применяется система линз. Отверстия, образующиеся в
металле под действием такого луча, обычно бывают довольно большого
диаметра.
Современная радиоэлектронная промышленность выпускает большое число
разнообразных приборов и устр
| |  скачать работу |
Лазер |
